DE2356629B2 - Vorrichtung zur selbsttaetigen schaerfeneinstellung (autofokussierung) eines optischen systems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen Schärfeneinstellung (Autofokussierung) eines optischen Systems, die sich insbesondere für optische Apparate, wie z. B. für fotografische Kameras, eignet.

Durch die deutsche Patentschrift 9 27 239 ist eine Einrichtung zur objektiven Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen Bildern bekanntgeworden, bei der ein vorzugsweise rasterförmiges Testobjekt in der Objektebene angeordnet ist. Dieses Testobjekt wird durch eine Blendenanordnung, die der geometrischen Gestalt des Testobjektes angepaßt sein muß, in der Bildebene oder einer äquivalenten Ebene des optischen Systems abgetastet. Die Abtastung erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen Testobjekt und Blendenvorrichtung. Durch die Abtastbewegung wird durch ein lichtelektrisches Organ die Helligkeit des jeweils abgetasteten Bildteils in ein entsprechendes Wechselstromsignal umgewandelt. Bei optimaler Scharfeinstellung ist das in der Bildebene entworfene Bild des Testobjektes am kontrastreichsten, so daß das Wechselspannungssignal seine größte Amplitude besitzt. Diese bekannte Einrichtung ist offensichtlich nur für Test- und Prüfzwecke od. dgl. geeignet, sie eignet sich nicht zum Einbau in einen optischen Apparat, beispielsweise in eine fotografische Kamera.

Bei anderen bekannten Vorrichtungen zur Autofokussierung wird ebenfalls die Abhängigkeit des Bildkontrastes von der Fokussieiungsposition als Maß für die Fehleinstellung verwendet. Dabei wird das als Steuerkriteriuni dienende Differenzsignal durch Abtastung der Bildebene des optischen Systems ermitteil Als Abtastorgan dient beispielsweise eine Abtaströhre. Bei der Abtastung werden alle in dem \on dem optischen System entworfenen Bild enthaltenen Ortsfrequenzen gemessen. Fs ist thcorelisch bekannt, daß

die Verringerung des Bildkontrastes bei Fehleinstellung eines optischen Systems im allgemeinen mit der Ortsfrequenz anwächst, d. h., der Bildkontrast ist unmittelbar von der optischen übertragungsfunktion abhängig, indem der starke Abfall der optischen übert-j-miniisfunlction in Abhängigkeit vor der Ferneinstellung mit steigender Ortsfrequenz beträchtlich anwächst. Hieraus ergibt sich unmittelbar, daß zur Steuerung einer Vorrichtung zur selbsttätigen Schii.-feneinstellung ein Signal, das die vergleichsweise abrupte Änderung der optischen Übertragungsfunktion angibt, die sich bei Fehleinstellung im Bereich höherer •Ortsfrequenzen ergibt, besser geeignet ist, als ein Signal, das alle in einem Bild enthaltenen Ortsfrequenzen berücksichtigt. _I$

Es wurde dementsprechend bereits eine Vorrichtung zur Autofokussierung vorgeschlagen, bei der das aus der Abtastung des von dem optischen System erzeugten Bildes abgeleitete Zeitsignal eirer elektrischen Frequenzanalyse unterworfen wird und bei der die hochfrequenten Komponenten des Zeitsignals, die den hohen Ortsfrequenzer. entsprechen, ausgefiltert werden. Derartige Vorrichtungen sind sehr platzraubend und teuer.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur selbsttätigen Schärfeneinstellung zu schaffen, die auf derart komplexe elektrische Filterschaltungen verzichtet und sich zum Einbau in optische Apparate von vergleichsweise kleinen Abmessungen, beispielsweise in fotografische Kameras, eignet.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der in der Bildebene oder einer äquivalenten Ebene ein fotoelektronisches Bauelement angeordnet ist, dessen Ausgangssignal von der bei der Verstellung des optischen Systems auftretenden Änderung des Bildkontrastes abhängig ist und das zur Messung und/oder Steuerung der Schärfeneinstellung dient, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in den zu dem fotoelektrischen Bauelement führenden bildseitigen Strahlengang des optischen Systems ein als optischer Bandpaß wirkendes zweidimensionales Beugungsgitter eingefügt ist, durch das die Abhängigkeit zwischen der Änderung des Bildkontrastes und der Verstellung des optischen Systems erhöht ist.

Es wird weiter unten erläutert werden, in welcher Weise ein derartiges Beugungsgitter als optischer Bandpaß wirkt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die gewünschte »Versteilerung« der Abhängigkeit zwischen Bildkontraständerung und Fehleinstellung, die unmittelbar zu einer Verbesserung der Meßempfindlichkeit und dementsprechend zu einer Verbesserung der Einstellgenauigkeit führt, durch eine äußerst einfache konstruktive Maßnahme — nämlich die Einfügung eines zweidimensionalen Beugungsgitters in den bildseitigen Strahlengang — erreicht. Das fotoelektronische Bauelement, das zur fotometrischen Ausmessung des Bildes dient, ist vorzugsweise ein geeignetes Halbleiterbauelement.

Das verwendete Beugungsgitter kann grundsät/-lieh entweder als Phasengitter, als Amplitudengitter oder als komplexes Amplitudengitter ausgebildet sein. Zur Vereinfachung der im folgenden gegebenen Darstellung der Erfindung wird ausschließlich ein Phascngilter beschrieben.

Die Verwendung eines solchen als Phasengittcr ausgebildeten Beugungsgitter bringt folgende Vorteile mit sich:

Da das in den bildseitigen Strahlengang eingefügte Ortsfrequenzfilter ein Pha:>engitter ist, entsteht keine Verringerung der zum Bildaufbau beitragenden Lichtmenge.

Die Bandbreite und die optische über /agungsfunkiion des von dem Beugungsgitter gebildeten optischen Filters sind konstant und hängen nicht von der Blendenzah! des Objektivs ab.
Das Filter dienende Beugungsgitter kann an beliebiger Stelle der optischen Achse zwischen der Bildebene und der Pupillenebene des Objektivs angeordnet sein.

Es ist zwar möglich, zur Messung des Kontrastes eines optischen Bildes ein Frequenzfilter zu verwenden, u'as aus einem photoelektrischen Halbleiterbauelement mit einem »Einsattelungseffekt« besteht, das eine ampütudengilte. ähnliche Maske besitzt. Zunächst könnte es den Anschein haben, daß eine Vorrichtung, die mit einem derartigen photoeleklrischen Bauelement arbeitet, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung identisch ist, in Wirklichkeit besteht jedoch ein wesentlicher Unterschied zwischen beiden Vorrichtungen: Bei der erstgenannten Vorrichtung findet lediglich eine Multiplikation der Lichtintensitätsverteilung des Bildes und der gitterähnlichen Maske statt, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hingegen die optische übertragungsfunktion des bilderzeugenden Objektivs in einen optischen Bandpaß umgewandelt, wobei das zweidimensionale Beugungsgitter als tatsächliches Ortsfrequenzfilter wirkt.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert: In

Fig. 1 ist die optische übertragungsfunktion eines üblichen bilderzeugenden Objektivs in Abhängigkeit der Ortsfrequenz dargestellt. Parameter sind die unterschiedlichen Werte der Fehlfokussierung:

F i g. 2 zeigt die optische übertragungsfunktion in Abhängigkeit von der Fehlfokussierung, wobei zwei unterschiedliche Werte der Ortsfrequenz als Parameter dienen;

Fig. 3 zeigt den Phasenverlauf eines eindimensionalen Phasengilters mit rechteckigem Profil;

F i g. 4 zeigt das Leistungsspektrum eines von einem üblichen Objektiv erzeugten Bildes sowie den Bandpaß-Filterefiekt eines Phasengitters;

F i g. 5 zeigt die Änderung des Bildkontrastes in Abhängigkeit von der Größe der Fehlfokussierung;

Fig. 6 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F i g. 7 zeigt die Kennlinie eines lichtempfindlichen Elementes mit »Einsattelungseffekt«;

F i g. ,S veranschaulicht die Änderung der aus dem von dem optischen System erzeugten Bild abgeleiteten Spannung in Abhängigkeit vom Betrag der Fehlfokussierung, die Darstellung veranschaulicht ferner das Prinzip der Servosteuerung mit Hilfe einer Phasendiskriminierung;

F: j. 9 zeigt das Blockschaltbild eines weiteren Ausfijhrungsbeispiels der Erfindung, bei dem an Stelle der Phasendiskriminierung ein Spannungsvergleich zur Scrv !'Steuerung dient;

Fig. 10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen in den verschiedenen Schaltungsstufen des in F 1 g. 9 durgestellten Blockschaltbildes.

Bevor die in den Zeichnungen dargestellten Ausiuhiunusbeispicle ausführlich beschneiden weiden, sei

kurz die Beziehung zwischen der optischen übertragungsfunktion des bilderzeugenden Objektivs und dem Betrag der Fehleinstellung dargelegt. Fig. 1 zeigt die optische übertragungsfunktion τ {u. z) in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz u. Parameter ist der Betrag der Fehlfokussierung z. F i g. 2 zeigt die optische übertragungsfunktion r(u, z) in Abhängigkeit vom Betrag der Fehlfokussierung z. Hier ist die Ortsfrequenz w Parameter der verschiedenen Kurven. Man erkennt aus diesen Figuren, daß der Abfall der optischen übertragungsfunktion des bilderzeugenden Objektivs mit steigender Frequenz und mit steigendem Wert der Fehlfokussierung beträchtlich wird.

Im folgenden sei die optische übertragungsfunktion eines zweidimensionalen Phasengitters, wie es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung findet, und seine Wirkung als Bandpaß-Filter erläutert. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß das Beugungsgitter ein eindimensionales rechteckiges Gitter sei. das die in F i g. 3 dargestellte Phasenverteilung besitzt. Diese Phasenverteilung wird durch folgende Funktion / (x) beschrieben:

A₀ = 2 10/1,/I₂ kann als »Gleichstromkomponente« des optischen Bildes betrachtet werden. Man erkennt auf Grund der vorangehenden Erläuterung, daß da; Phasengitter mit Rechteckprofil als Bandpaß für die

5 optische übertragungsfunktion des optischen Systems oder für das Leistungsspektrum des Bildes wirkt.

In Fi g. 4 bedeuten die Flächen S_a = D Ou_QH₀A_: und S_h = D Ou₀H₁A₂ den gesamten bei konektei

ίο Fokussierung(z = 0) bzw. bei Fehlfokussierung(r = r, gemessenen Lichtfluß, wenn kein Phasengitter verwendet wird, während die Flächen

u nd

Tür |x| g a/2

für a/2 ^ χ ^ d,2

(D

f> ist die Phasendifferenz, a die Breite eines Elementes und d die Gitterkonstante.

Durch eine einfache Rechnung erhält man folgende Näherungslösung für die optische übertragungsfunktion T_p (u):

in der q(B, u) eine Dreieckfunktion mit der Basisbreite 2 ß und der Höhe 1 bedeutet. Λ («-^/M be5₀ = A₀ + I AiH₀A₁₁

5₁ = A₀+ I A₁H₁A₄

den gemessenen Lichtfluß bei korrekter Fokussierung bzw. bei einer Fehlfokussierungsposition bedeuten wenn ein Phasengitter verwendet ist. Das Verhältni: der Kontraständerung bei Fehlfokussierung sei folgendermaßen ausgedrückt:

bzw.

C₀ = (S₁₁ - S_h)HS_a + S_h)
C₁ = (S₀ - S₁)I(S₀ + S₁).

Die Größen U₀H₀ und U₀H₁ des Leistungsspek trums bei der Frequenz M₀ seien h₀ bzw. /i,. Dami wird das Kontraständerungsverhältnis

bzw.

C₀ = (A₀ — #i,)/(2 + K

C₁ = (ho-/I₁V(Zi₀+Λ,)

_J5

deutet Impulse bei der Stelle u = -rp. Das Zei-

chen * bedeutet ein Hüllintegral, b ist der Abstand zwischen dem Gitter und der Bildebene (Fig. 6). und /. ist die Wellenlänge des Lichtes (normalerweise /. = p,5 μ).

Die optische übertragungsfunktion τ_Γ(ι/. z) des bilderzeugenden Systems einschließlich des Phasengitters ist T₇- (u, z) = t_p (u) ■ τ (u, z). Das Leistungsspektrum P_s (u, z) des in der Bildebene erzeugten Bildes kann durch das Produkt des in dem Bild enthaltenen Leistungsspektrums und der optischen übertragungsfunktion t_t(u,z) des Gesamtsystems ausgedrückt werden.

Das Leistungsspektrum P_h (m, 2) des Bildes ist in F i g. 4 dargestellt, worin die optische übertragungsfunktion r (u) des Phasengitters selbst durch die Dreieckfunktion AOA₁A₁ und 1 A₃HA₄ dargestellt ist. Die Kurven α und h veranschaulichen das Leistungsspektrum des erzeugten Bildes einmal bei korrekter Fokussierung (2 = 0) sowie bei Fehlfokussierung (z = 2,) für den Fall, daß kein Phasengitter vorhanden ist. Wenn ein Phasengitter in das bilderzeugende optische System eingefügt wird, hat das Leistungsspektrum P_s{u,z) des Bildes den Verlauf von Dreieckfunktionen \0A_tA₂, IA₃H₀A₄ und IA^H₁A₄, wobei I A₃H₀A₄ und I A₃H₁A₄ die Leistungsspektra bei korrekter Fokussierung (z = 0) bzw. bei Fehlfokussierung (2 = 2,) sind. Die Fläche Aus Fig. 4 ist erkennbar, daß beide Kontrast änderungsverhältnisse C₀ und C, anwachsen, wenr die Frequenz anwächst, daß C₁ jedoch stets größe: ist als C₀. Wenn die Frequenz gegen 0 geht, näherr sich auch C₀ und C₁ dem Wert 0. Wenn man eii Leistungsspektrum annimmt, bei dem ft, —»0 unc Zj₀ —► 1 gehen, nähert sich C₀ —► 1/3 und C₁ —+1, da: Kontraständerungsverhältnis wird also um den Fak tor 3 verbessert. F i g. 5 zeigt diese Kontrastände rungsverhältnisse C₀ und C₁. Aus der vorangehendei Beschreibung wird ersichtlich, daß die bei der Defo kussierung auftretende Verminderung des Kontraste mit Hilfe eines Phasengitters als Bandpaß-Filter wirk sam ausgewertet werden kann und daß auf diesi Weise eine hochempfindliche Messung des Bildkon trastes möglich ist.

In dem untersuchten Fall wurde angenommen daß das Beugungsgitter eindimensional ist. Außer dem wurde nur das erste positive Durchlaßbam [das in Gleichung (2) dem Wert ρ = + I mit de

Bandmittenfrequenz u₀ = ^ entspricht], betrachtet Unter der Annahme, daß d = 1,2 mm, a = 0,3 mm /. = 0,5 μ und b = 60mm ist, erhall man U₀ = 401/mrr Selbstverständlich existieren auch Seitenbänder zwei ter und höherer Ordnung. Da die optische übertra gungsfunktion beispielsweise eines Kameraobjektiv im Bereich von Frequenzbändern derart höherer Ord nung beträchtlich absinkt, genügt es in der Praxi: nur das positive und negative Seitenband erste Ordnung zu betrachten. Da ein optisches Bild zwei dimensionalc Frequenzkomponenten enthält, mu das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwen

7 8

dete Beugungsgitter ein zweidimensionales Gilter das zweidimensional Phasengitter 6, das wie oben sein. Obwohl in der vorstehenden Beschreibung ein beschrieben als Bandpaß wirkt, gefiltert. Hieraus Gitter mit Rechteck profil betrachtet wurde, können resultiert eine abrupte Kontraständerung des Bildes selbstverständlich auch Phasengitter mit irgendeiner in Abhängigkeit vom Fokussierungszustand, wie an anderen Profilform ζ. B. mit sinusförmigem Verlauf s Hand von F i g. 5 erläutert wurde. Das photoelek-Verwendung finden. Ironische Bauelement 7 kann Jn Bauelement sein, Weiter oben wurden drei Vorteile herausgestellt. das einen »Einsattelungseffekt« besitzt, beispielsweise die das Verfahren der Frequenzuntersuchung unter ein CdS-Photowiderstand. Dieser Effekt ist in Fi g. 7 Verwendung eines Phasengitters mit sich bringt. Im veranschaulicht. Hierin ist der Betrag der Defokusfolgenden seien die theoretischen Grundlagen kurz i₀ sierung ζ als Abszissenwert und der Leitwert G des untersucht: Der erste Vorteil, der darin besteht, daß CdS-Photowiderstandes als Ordinatenwert aufgetradas optische System eine minimale Dämpfung des gen. Aus dieser Kennlinie ist ersichtlich, daß der Leitdurchtretenden Lichtes verursacht, ergibt sich aus wert G ein lokales Minimum bei korrekter Fokusder Natur des Phasengitters, welches definitions- sierung (z = 0) hat. Diese Erscheinung hängt von gemäß nicht die Amplitude, sondern nur die Phase 15 den Eigenschaften des photoelektronischen Baueleder Lichtwellen beeinflußt. Die Ursachen für den mentes ab und ist allgemein bekannt. Die Ausgangszweiten und den dritten der genannten Vorteile sind spannung V des photoelektronischen Bauelementes 7 aus Gleichung (2) erkennbar. Aus Gleichung (2) ist ändert sich in Abhängigkeit von der Fokussierung z, auch erkennbar, daß die angenäherte optische über- wie in F i g. 8 in Kurve P dargestellt. Die Meßlragungsfunktion τ_ρ (μ) des Phasengitters unabhän- 20 spannung V erreicht bei korrekter Fokussierung gig ist vom Öffnungsverhältnis des bilderzeugenden (z = 0) ein Maximum. Die Kurve P hat einen ähn-Objektivs. Dies ergibt sich auch aus dem Ergebnis liehen Verlauf wie die Kurve C₁ in F i g. 5, die die der Berechnung der optischen übertragungsfunktion Änderung des Kontrastverhältnisses darstellt. Bei T_p(u) des Phasengitters für verschiedene öffnungs- der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung mißt das Verhältnisse des bilderzeugenden Objektivs. Dies sei 25 photoelektronische Bauelement 7 daher die Ändehier nicht in allen Einzelheiten erläutert; es ist jedoch rung des Bildkontrastes, die von der Verschiebung bekannt, daß sich bei einem Phasengitter, wie es vor- des Objektivs 1 verursacht wird, und liefert eine entstehend definiert wurde, der Verlauf der optischen sprechende Ausgangsspannung. Diese Ausgangsspan-Ubertragungsfunktion (Dreieckform) des Phasengit- nung dient als Steuersignal für die Servosteuerung ters kaum ändert, wenn das Öffnungsverhältnis des 30 des Objektivs 1. Bei dieser Servosteuerung wird das Objektivs / = ! 1 ist. obwohl diese Öffnung ledig- für Servosysteme bekannte Verfahren der Phasenlich vier Gitterlinien entspricht. Aus Gleichung (2) diskriminierung angewendet. Das photoelektronische ist klar erkennbar, daß das Phasengitter an irgend- Bauelement 7 wird in eine periodische Bewegung einer beliebigen Stelle längs der optischen Achse längs der optischen Achse versetzt, und zwar schwingt zwischen dem bilderzeugenden Objektiv und der 35 es mit einer einfachen harmonischen Schwingung mit Bildebene angeordnet sein kann. Die Bandbreite des konstanter Amplitude und konstanter Periode. Der von dem Phasengitter gebildeten Filters und seine Antrieb erfolgt durch eine Schwingvorrichtung 12. , . . . . a , d . ... Die Frequenz der einfachen harmonischen Bewegung Bandmittenfrequenz U₀ sind g-. bzw. _m, beide Werte _(dje ^_5ρίβ,_{8νβί!ίβ 100 Hz} beträgt), wird durch einen

sind Funktionen von 6, d. h. sie sind von dem Ab- 40 Oszillator 10 gesteuert, der mit einer Treiberstufe 11 stand zwischen dem Phasengitter und der Bildebene verbunden ist. Die Schwingvorrichtung 12 kann beiabhängig. Es ist deshalb möglich, ein Phasengitter spielsweise als elektromagnetische Vorrichtung ausso zu bemessen, daß es eine gewünschte Bandbreite gebildet sein. Sie hat beispielsweise eine Schwingspule, und Bandmittenfrequenz U₀ aufweist, wenn die Git- wie sie bei Lautsprechern üblich ist und die so angeterkoeffizienten α und d und der Abstand b bekannt ₄₅ ordnet ist. daß sie ein mit dem photoelektronischen sind. Umgekehrt ist es ebenfalls möglich, das Fre- Bauelement 7 verbundenes Eisenstück in Bewegung quenzband des auszumessenden optischen Bildes versetzt. Die Konstruktion und das Arbeitsprinzip dadurch »abzutasten«, daß das Phasengitter längs einer derartigen Schwingvorrichtung sind bekannt der optischen Achse verschoben wird. Dies wird weiter und sollen daher nicht näher erläutert werden. Statt unten noch ausführlicher erläutert. 50 das photoelektronische Bauelement 7 mittels einet In F i g. 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Schwingvorrichtung anzutreiben, kann das Bildsignal erfindungsgemäßen Vorrichtung zur selbsttätigen d. h. die Ausgangsspannung des photoelektronischer Fokussierung dargestellt. Links von einem Objektiv 1 Bauelementes 7, auch dadurch moduliert werden befindet sich ein (nicht dargestellter) Aufnahme- daß die optische Weglänge zwischen dem Phasengit gegenstand, dessen Bild auf einer Filmoberfläche 3 ₅₅ ter 6 und dem photoelektronischen Bauelement" entworfen werden soll. Ein Teil des durch das Objek- verändert wird. Die Modulierung kann auch mittel: tiv 1 hindurchtretenden Lichtes wird von einem halb- eines opto-elektrischen Kristalls erfolgen, der in der durchlässigen Spiegel 2 reflektiert, der im Strahlen- Strahlengang eingefügt ist. Es kann auch ein optische gang zwischen dem Objektiv I und der Bildebene 3 Keil vorgesehen sein, der in einer einfachen har angeordnet ist. Der von dem Spiegel 2 abgelenkte 6₀ monischen Schwingung senkrecht zur optischen Achsi Strahlenanteil erzeugt ein Bild des Aufnahmegegen- bewegt wird. Alle diese Verfahren ändern die optisch Standes auf der lichtempfindlichen Oberfläche eines Weglänge nach Art einer karmonischen Schwingung photoelektronischen Bauelementes 7. Ein zweidimen- Sie werden im folgenden deshalb als Verfahren zu sionales Phasengitter 6 ist senkrecht zur optischen Modulation der optischen Weglänge bezeichnet. Achse zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 2 und (,<; Die Beziehung zwischen dem Wert ζ der Defokus dem photoelcktrischcn Bauelement 7 angeordnet. Die sierung und dem Ausgangssignal V des photoelck Frequenzkomponenten des auf dem photoelektro- ironischen Bauelementes 7 ist in F 1 g. 8 dargestell nischen Bauelement 7 erzeugten Bildes werden durch Die Kurve P zeigt das photoclcktrischc Ausgang?

signal, das ohne Modulation der optischen Weglänge erhalten wird und das der Änderung des Bildkontrastes entspricht. Ferner ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals dargestellt, wenn die optische Weglänge moduliert wird, und zwar für den Fall, daß eine positive bzw. eine negative Fehlfokussierung und für den Fall, daß korrekte Fokussierung vorliegt. Die einfache harmonische Bewegung des photoelektronischen Bauelementes 7 längs der optischen Achse wird durch die Sinuswelle g, veranschaulicht. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung bei korrekter bzw. positiver oder negativer Fehlfokussierung sind als Kurven />, d bzw. e dargestellt. Man erkennt aus diesen Kurven, daß die Ausgangsspannung bei korrekter Fokussierung ein Minimum besitzt und daß die Ausgangsspannungen, die bei positiver und negativer Fehlfokussierung entstehen, um den Winkel .-7 gegeneinander phasenverschoben sind. Das Verfahren der Phasendiskriminierung ermittelt die Einstellposition in Abhängigkeit von dem Betrag und der Phasenlage der Ausgangsspannung.

Das modulierte Ausgangssignal des photoelektronischen Bauelementes 7 wird in dem Verstärker 8 verstärkt. Seine Phasenlage wird mittels eines Phasendetektors 9 diskriminiert. Als Referenzsignal dient dabei die Spannung des Oszillators 10. Die Signale werden in eine Gleichspannung umgewandelt, deren Vorzeichen in Abhängigkeit von der Phasenlage positiv oder negativ ist. Der Absolutwert der Gleichspannung entspricht dem Wert ζ der Fehleinstellung. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 9 dient zum Antrieb eines Gleichstrom-Servomotors 14. Seine Laufrichtung ist in F i g. 8 durch einen © -Pfeil bzw. durch einen θ -Pfeil angedeutet. Die Laufrichtung hängt von dem Vorzeichen des Ausgangssignals des Phasendetektors 9 ab. Der Servomotor bewegt sich stets in der Richtung, daß die der korrekten Fokussierung entsprechende Einstellposition erreicht wird, die dem Maximum der Kurve P in F i g. 8 entspricht. Auf der Welle des Gleichstrom-Servomotors 14 ist ein Antriebsritzel 15 befestigt, das mit einer Zahnstange im Eingriff steht, die fest mit dem Objektiv 1 verbunden ist, so daß dieses vom Ausgangssignal des Phasendetektors 9 automatisch in die Einstellposition bewegt wird, die der korrekten Scharfeinstellung entspricht. Bei der vorangehenden Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß das photoelektronische Bauelement einen »Einsattelungseffekt« aufweist, statt dessen können selbstverständlich auch andere geeignete photoeleklronische Bauelemente wie beispielsweise Pin-Phototransistoren oder Photodioden verwendet werden.

Wenn eine Modulierung der optischen Weglänce und eine Demodulierung mittels eines Phasendetektors nicht stattfindet, ist es im allgemeinen schwierig, die der korrekten Fokussierung entsprechende Einstellposition (Gipfelpunkt der Kurve P in Fig. 8) ausschließlich durch das Gleichspannungssignal V, das von dem photoelektronischen Bauelement 7 abgegeben wird, zu ermitteln. Die Gründe hierfür seien kurz erläutert. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß das Gleichspannungs-Ausgangssignal V bei positiven und negativen Einstellwerten ζ identische Werte aufweist. Es ist daher unmöglich, allein aus dem Absolutwert dieses Ausgangssignals abzuleiten, ob ein positiver oder ein negativer Einstellfehler vorliegt. Um die der korrekten Fokussierung entsprechende Einstellposition zu ermitteln, müssen die Ausgangssignale 5.

die benachbarten Einstellposition entsprechen, laufend miteinander verglichen werden. Die Phasendiskriminierung ist ein sehr geeignetes Verfahren, um diesen Vergleich analog und aufeinanderfolgend durchzuführen: Dieses Verfahren liefert mit Sicherheit eine der am besten geeigneten Methoden zur schnellen und genauen Bestimmung der korrekten Einstellposition.

In F i g. 9 ist eine Vorrichtung dargestellt, b'i ίο der an Stelle der Phasendiskriminierung das Verfahren des direkten Spannungsvergleichs zur Servosteuerung angewendet wird. Hierbei können die Schaltungsstufen, die bei der Phasendiskriminierungs-Methode zur Modulierung der optischen Weglänge erforderlich sind, entfallen. Die Meßspannung ist eine Gleichspannung. Der Verstärker 8', dem diese Meßspannung zugeführt wird, ist dementsprechend ein Gleichstromverstärker. Sein Ausgangssignal wird alternativ den beiden folgenden Speicherschaltungen 21 und 22 zugeführt. Ein Oszillator 19 dient zur Steuerung der Speicherschaltungen 21 und 22. Der Impulszyklus, mit dem diese Steuerung stattfindet, ist in Fig. 10 dargestellt. Die Impulszüge 19', 2Γ. 22', 23' und 24' stellen die Ausgangssignale der mit den gleichen Ordnungszahlen versehenen Schaltungsstufen dar, d. h. die von dem Oszillator 19 gelieferten Impulse, die Spannungen der Speicherschaltungen 21 und 22, die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 23 und die in der Schaltungsstufe 24 speicherjo bare Motorspannung. Die Impulsdiagramme sind in Abhängigkeit von der Zeit r aufgetragen. Die Einstell- und Rückstellsignale für die Speicherschaltungen 21 und 22 werden innerhalb eines Impulszyklus erzeugt. der jeweils drei aufeinanderfolgende Impulse umfaßt. die in Fig. IO mit I, II und III bezeichnet sind Die Spannungen S₁ und s₂, die in den beiden Speicherschaltungen 2i und 22 gespeichert werden, werden in einem Differentialverstärker 23 miteinander verglichen. Dieser erzeugt eine Differenzspannung 40.S₁-S₂ (wenn sich das Objektiv 1 bewegt!. Diese Differenzspannung wird am Ende jedes der drei Impulse umfassenden Impulszyklen der Schaltungsstufe 24 zugeführt, in der sie während des folgender Impulszyklus gespeichert wird, wie aus Fi g. Π her vorgeht. Die Schaltungsstufe 24 wird über das Gatter 25 von dem Oszillator 19 gesteuert.

Der Gleichstrom-Servomotor 14 wird auf diese

Weise in Abhängigkeit von dem Betrag und den

Vorzeichen der Differenzspannune gesteuert und

bewegt seinerseits das Objektiv 1 so lange, bis di<|

Differenzspannung zu Null wird.

Im Gegensatz zu dem Verfahren der Phasendisl

kriminierung benötigt das Verfahren, bei dem eii|

direkter Spannungsvergleich durchgeführt wird, kein

Modulation der optischen Weglänge und damit kein

Schwingvorrichtung. Die entsprechende Vorrichtuni

ist daher einfacher in der Konstruktion und erlaub

einen kompakten Aufbau von geringem Gewicht

Das Verfahren des direkten Spannungsvergleichs is

allerdings auch weniger genau als das mit Phasen

diskriminierung arbeitende Verfahren.

Es sei noch erläutert, in welcher Weise das Fre quenzband des Leistungsspektrums des auf der photoelektronischen Bauelement erzeugten Bilde 6; durch Verschiebung des zweidiemensionaien Phasen gitters 6 längs der optischen Achse, d. h. durch Vei änderung des Abstands ft (Fig. 6) beeinflußt wet den kann. Wenn das zweidimensional Phasencitter

in Richtung auf das Objektiv 1, d. h. in der Richtung, in der sich /) vergrößert, verschoben wird, verringern

sich sowohl die Bandmittenfrequenz u„ =

als

15

auch die Bandbreite B — ~,. des von dem photoelektronischen Bauelement 7 gemessenen Bildes, und die Dreieckfunktion, die das Leistungsspektrum des Bildes repräsentiert, wird »schärfer«. Wenn hingegen das zweidimensionale Phasengitter 6 in Richtung des photoelektronischen Bauelements 7 verschoben wird, wachsen die Bandmittenfrequenz und die Bandbreite, und das genannte Dreieck wird flacher.

Die in dem auf der Oberfläche des photoelektronischen Bauelements 7 entworfenen Bild enthaltenen Spektralkomponenten sind selbstverständlich von den Frequenzkomponenten des Aufnahmegegenstandes abhängig. Es ist wünschenswert, die Vorrichtung zur automatischen Scharfeinstellung so auszubilden, daß sie an Aufnahmegegenstände mit beliebigen Frequenzkomponenten angepaßt werden kann. Es sei nun angenommen, daß sich das Objektiv 1 (Fig. 6) in irgendeiner beliebigen Einstellposition befinde und der Absolutwert der Ausgangsspannung des Phasendetektors von einem Spannungsmesser 13 angezeigt wird. Wenn die Taste 17 gedrückt wird, treibt der Motor 18 eine Verschiebungsvorrichtung 18' an. die beispielsweise aus einem Ritzel und einer Zahnstange besteht, und bewegt damit das zweidimen

25

sionale Beugungsgitter 6 entlang der optischen Achse. Die Anzeige des Spannungsmessers 13 ändert sich in Abhängigkeit von der Frequenzverteilung des \ufnahmegegenstandcs. Die Position des Beugungsgitters, die einen maximalen Anzeigewert auf dem Spannungsmesser 13 entspricht, ist gleichzeitig die Stellung, die die optimale Grundlage für die automatische Schärfeneinstellung bildet. Im allgemeinen ist diese optimale Stellung von der Beschaffenheit des Aufnahmegegenstandes abhängig und kann experimentell bestimmt werden. Auf diese Weise kann manuell der optimale Frequenzbereich innerhalb des empfangenen Spektrums ausgewählt werden. Man kann sich hierzu eines Einstellorgans mit einer Skale bedienen, die die optimale Position des Beugungsgitters für bestimmte Objektarten anzeigt und die mit einem einfachen Mechanismus zur Verschiebung des Beugungsgitter verbunden ist.

Zweidimensionale Beugungsgitter mit beliebigem Verlauf der optischen Übertragungsfunktion können beispielsweise in einem Photoverfahren, wie sie bei der Herstellung von integrierten Schaltungen Verwendung finden, hergestellt werden. Derartige Verfahren sind allgemein bekannt und bedürfen keiner näheren Beschreibung.

Bei einer einäugigen Spiegelreflexkamera kann der zur Lichtmessung dienende halbdurchlässige Spiegel 2 (F i g. 6) durch den Sucherspiegel der Kamera ersetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur selbsttätigen Schärfeneinsteliting (Autofokussierung) eines optischen Systems, bei der in der Bildebene oder einer äquivalenten Ebene ein fotoelektronisches Bauelement angeordnet ist, dessen Ausgangssignal von der bei der Verstellung des optischen Systems auftretenden Änderung des Bildkontrastes abhängig ist und das zur Messung und/oder Steuerung der Schärfeneinstellung dient, dadurch gekennzeichnet, daß in den zu dem fotoelektronischen Bauelement (7) führenden bildseitigen Strahlengang des optischen Systems (1) ein als optischer Bandpaß wirkendes zweidim^nsionales Beugungsgitter (6) eingefügt ist, durch das die Abhängigkeit zwischen der Änderung des Bildkontrastes und der Verstellung des optischen Systems (1) erhöht ISt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Servosteuerung zur Fokus- »ierung vorgesehen ist, die Mittel (11,12) zur periodischen Änderung der optischen Weglänge zwischen dem zweidimensionalen Beugungsgitter (2) und der Bildebene des optischen Systems sowie einen Phasendetektor (9) zur Phasendiskriminierung des aus dem von dem optischen System erzeugten Bild abgeleiteten elektrischen Signals umfaßt und daß das Ausgangssignal des Phasendetektors (9) das Steuersignal für die Servosteuerung bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Oszillatorschaltung (10) gesteuerte Schwingvorrichtung (11, 12) zur periodischen Lageveränderung eines am Ort der Bildebene angeordneter photoelektronischen Bauelements (7) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung (10) das Referenzsignal für den Phasendetektor (9) liefert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Servosteuerung zur Fokussierung vorgesehen ist, die zwei Speicherschaltungen (21, 22) umfaßt, in denen abwechselnd und aufeinanderfolgend Augenblickswerte (S₁, S₂; Fig. 10) des aus dem von dem optischen System erzeugten Bild abgeleiteten elektrischen Signals speicherbar sind und daß die Differenz der Ausgangsspannungen (.V₁, s₂) dieser Speicherschaltungen das Steuersignal (S₁-S₂) für ilie Servosteuerung bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Speicherschaltungen (21, 22) mit einem Differenzverstärker (23) veibunden sind, dessen Ausgangsspannung zum Antrieb eines Servomotors (14) zur Verschiebung des optischen Systems (1) dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsoszillator (19) voigesehen ist, durch dessen Ausgangsimpulse (19', Fig. 10) die Speicherschaltungen (21, 22) sowie eine Schaltungsstufe (24) zur Speicherung der Ausgangsspannung (.V₁-S,) des Differenzverstärkers (23) innerhalb eines drei Impulse (I. II. III) umfassenden Inipulszyklus nacheinander aktivierbat" sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verschiebung des zweidimensionalen Beugungsgitters (6) längs der optischen Achse und damit zur Auswahl des Ortsfreqiien2-bereichs des Bildes und zur Vergrößerung der Empfindlichkeit der Konlraständerungsmessung sowie Mittel (13} zur Messung und Anzeige des aus dem Bild abgeleiteten elektrischen Signals bzw. des genannten Steuersignals für die Servosteuerung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweidimensionale Beugungsgitter (6| ein Phasengitter ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des optischen Systems (1) ein Spiegel (2) zur Umlenkung des bildseitigen Strahlengangs zu einer zur Bildebene konjugierten Ebene eingefügt ist, und daß in dieser konjugierten Ebene ein photoelektronisches Bauelement (7) zur Messung der Lichtintensität angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10. daaurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (2) ein halbdurchlässiger ortsfester Spiegel ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (2) der Sucherspiegel einer einäugigen Spiegelreflexkamera ist.